Цинкування: як тонкий шар цинку рятує сталь від іржі

Сталевий виріб без покриття починає ржавіти від першої ж вологи, і найгірше в іржі те, що вона не зупиняється сама. Цинк зупиняє, і робить це хитріше, ніж просто закриваючи метал від повітря.

Нижче розібрано, як саме, чим відрізняються способи цинкування й на що дивитися, коли ви замовляєте покриття на своє кріплення або металоконструкцію.

Чому сталь ржавіє

Залізо в присутності води й кисню переходить у гідроксиди й оксиди заліза, які ми називаємо іржею. Процес електрохімічний: на поверхні утворюються мікроскопічні ділянки з різним потенціалом, і між ними йде струм, як у дуже поганій батарейці.

Головна проблема не в самій реакції, а в продукті. Іржа пухка, займає більший об’єм за метал, з якого виросла, і легко пропускає воду до наступного шару заліза. Вона не перекриває доступ, а створює вологий пористий компрес на поверхні.

Порівняйте з алюмінієм: його оксид щільний, прилипає до основи й сам же зупиняє подальше окиснення. Саме через цю різницю алюміній можна «анодувати», тобто виростити захист із самого металу, а сталь — ні. Сталь треба чимось накрити.

Жертовний захист: головна відмінність цинку від фарби

Цинк працює у три способи. Перший очевидний: він фізично відділяє сталь від води й повітря. Другий — те, що з часом на цинку утворюється власна щільна плівка продуктів корозії (патина), яка гальмує подальше руйнування.

Третій і є головний. Цинк електрохімічно активніший за сталь, тому в парі з нею він стає анодом і кородує першим. Доки на деталі є цинк, сталь поруч із ним не ржавіє, навіть якщо вона оголена.

Це називають жертовним або катодним захистом, і найпростіше його побачити на подряпині.

Із цієї властивості випливає практичний висновок, який варто тримати в голові при проєктуванні. Фарбоване з’єднання боїться монтажних пошкоджень: один подряпаний кут, і через рік звідти йде пляма. Цинковане з’єднання такі дрібні пошкодження переживає, і це зовсім не те саме, що «цинк не можна поцарапати».

Три способи нанести цинк

Усі три дають цинк на сталі, але товщина, вигляд і межі застосування в них різні.

Гальванічне (електролітичне) цинкування. Деталь занурюють у розчин солей цинку й пропускають струм; цинк осаджується з розчину рівним шаром. Шар тонкий, поверхня гладка й може бути блискучою, розміри майже не змінюються. Це спосіб для кріплення, фурнітури, корпусних і приладових деталей, тобто там, де важлива точність і вигляд.

Гаряче цинкування. Підготовлену деталь занурюють у розплавлений цинк, приблизно при 450 °C. Цинк реагує зі сталлю, утворюючи проміжні сплавні шари, і зверху застигає вільний цинк. Шар виходить у кілька разів товщим за гальванічний, поверхня грубіша, тонкі різьби й точні посадки після ванни вже не годяться. Це спосіб для металоконструкцій, опор, огорож, арматури, усього, що стоїть просто неба десятиліттями.

Термодифузійне цинкування (шерардизація). Деталі обертають у барабані з цинковим порошком при приблизно 400–440 °C. Цинк дифундує в поверхню сталі, утворюючи матовий сірий сплавний шар без вільного цинку зверху. Шар добре й рівномірно лягає на різьбу й у заглиблення, не дає наростів на вершинах витків.

Є ще два способи, які називають цинкуванням, хоча електрохімічно вони працюють інакше: напилення розплавленим цинком і цинконаповнені фарби, яке в побуті звуть «холодним цинкуванням». Обидва дають жертовний захист, обидва ремонтопридатні в полі, і обидва помітно товщі за гальванічний шар.

Яку товщину просити

Гальванічний цинк — покриття тонке, і всередині цього «тонкого» різниця в п’ять разів все одно є.

Орієнтир, яким користується більшість, — чотири умови експлуатації: від сухого приміщення до вулиці з конденсатом і реагентами. Ряд товщин у цих класах приблизно 5, 8, 13 і 25 мкм. Нижня межа — це справді мінімум, фурнітура в шафі; верхня вже близька до того, що має сенс просити на гальванічній лінії взагалі.

На цьому ряді видно й межу способу. Якщо вашій деталі треба стояти просто неба роками, збільшувати гальванічний шар до нескінченності не вийде, і це не питання ціни: тонкий рівний шар — і є те, за чим приходять на гальваніку. Для вулиці беруть гаряче цинкування, де товщина йде на десятки мікрометрів із самого початку.

Пасивація: прозора, жовта, чорна

Свіжий цинк активний і швидко набирає білий налет. Тому після ванни деталь обробляють ще раз, у розчині, що утворює на цинку тонку конверсійну плівку. Цей крок називають пасивацією або хроматуванням, і він дає і додатковий захист, і колір.

Важливо, що колір тут не від цинку. Під прозорою, жовтою й чорною пасивацією лежить той самий цинковий шар; відрізняється тільки плівка поверх нього.

Історично найстійкішу жовту плівку давав шестивалентний хром. Він канцерогенний, і директива RoHS разом із автомобільними стандартами його по суті витіснила: для електроніки, автокомпонентів і більшості нової продукції потрібна пасивація на тривалентному хромі.

Практично це означає дві речі. По-перше, «жовтий цинк» сучасного виробництва не те саме, що жовтий цинк тридцятирічної деталі, яку ви тримаєте як зразок. По-друге, прозора тривалентна пасивація з додатковим герметиком сьогодні за стійкістю наближається до старих жовтих плівок, тому колір можна вибирати за виглядом, а не тільки за захистом.

Якщо ваша деталь іде в готовий виріб із вимогами RoHS, скажіть про це в заявці. Це не ускладнює роботу, але визначає, у якій ванні пасивувати.

Як міряють захист і що означають «години»

Стійкість цинкових покриттів порівнюють у камері сольового туману за ISO 9227: деталь тримають у тумані 5-відсоткового розчину хлориду натрію при 35 °C і дивляться, за скільки годин з’явиться корозія.

Дивляться на дві різні речі, і їх не треба плутати:

• Біла корозія — кородує сам цинк. Поверхня покривається білим порошкуватим налетом. Сталь під ним ще захищена.
• Червона корозія — пішла іржа, тобто цинку в цьому місці вже не залишилося. Це і є кінець життя покриття.

Цифри «240 годин сольового туману» в комерційних описах стосуються здебільшого першої появи червоної корозії. І тут головне застереження: самі стандарти прямо кажуть, що цей тест не призначений для прогнозування строку служби. Він порівнює, а не передбачає.

Причина проста. У камері одна агресивна дія, постійна й рівна. На реальній деталі їх кілька одночасно: вологість то є, то немає, додаються ультрафіолет, пил, механічне тертя, перепади температури. Дві партії, що в камері показали однаково, на даху можуть розійтися в кілька разів.

Тому години сольового туману корисні як контроль процесу й як спосіб порівняти два варіанти пасивації між собою. Переводити їх у роки не варто.

Водневе окрихчення: про що треба попередити заздалегідь

Це єдиний пункт, де цинкування може не просто не допомогти, а зашкодити, і стосується він високоміцного кріплення.

Під час травлення та нанесення частина водню встигає зайти в сталь. У звичайній сталі він згодом виходить без наслідків. У гартованій високоміцній сталі він накопичується в напружених зонах, і деталь може тріснути під затягом через години або добу після монтажу, без жодних попередніх ознак.

За орієнтир беруть твердість: приблизно від 40 HRC і вище деталь уже в групі ризику, і те саме стосується цементованого кріплення. Захист один — відпуск у печі одразу після покриття, при температурі приблизно 190–220 °C, кілька годин. Водень виходить, міцність залишається.

Два практичні висновки для вас:

• Якщо в партії є високоміцні болти, шпильки, пружини, стопорні кільця, скажіть про це в заявці. Відпуск треба запланувати, і він має піти одразу після ванни, а не наступного дня.
• Якщо деталь гартована й критична, а строк дозволяє, варто обговорити термодифузійне цинкування або механічне нанесення: там водневого навантаження немає.

Що корисно сказати нам у заявці

Коротко те, що визначає відповідь:

• Де деталь працює. Суха шафа, вулиця під навісом, вулиця біля моря — це три різні товщини й три різні фініші.
• Який колір потрібен і чи є еталонний зразок. Відтінок жовтої пасивації не нормований жорстко, і «як на цьому болті» працює краще за слова.
• Чи є різьба й точні посадки. Це вирішує, чи піде деталь на гальваніку, чи на термодифузію, і чи треба щось маскувати.
• Чи є гартовані високоміцні деталі. Див. попередній розділ.
• Чи потрібна відповідність RoHS. Визначає ванну пасивації.

Фото деталі замінює більшу частину цього списку: за знімком видно матеріал, стан поверхні, наявність різьби й загальну геометрію.